滑动构造带深井巷道工程围岩承载控制技术研究

在滑动构造带巷道掘进期间,由于受滑动构造影响,造成矿压应力较大、帮顶围岩破碎严重,尤其对于深井巷道,在各种因素叠加影响下,存在顶板冒落、两帮变形量大、底鼓严重等问题,岩巷掘进期间采用普通支护方式难以解决强矿压应力问题,保证巷道长期稳定。研究结果表明,对滑动构区深井巷道分析围岩受力情况,了解围岩承载的控制机理,掌握锚索补强位置,是为深井强矿压巷道制定科学合理的支护方案提供可靠的依据,解决复杂条件下巷道巷道“前掘后修”、“反复扩修”的关键技术。

论水工压力隧洞围岩承载设计准则及防渗排水设计

归纳总结了水工压力隧洞围岩承载设计准则所涉及的4个常用准则,分析了4个准则之间的相互关系,提出了对这些设计准则的理解和认识,并明确了水工压力隧洞防渗排水设计布置的基本概念。

巷道围岩承载结构弹塑性理论分析

为了分析巷道围岩承载结构与支护的相互作用,建立了圆形巷道围岩内、外承载结构弹塑性分析力学模型,应用广义Hoek-Brown破坏准则和弹塑性基本理论,得到了塑性区半径和围岩承载结构相关参数的表达式.通过实例分析了巷道围岩承载结构与围岩稳定的关系,以及支护力对巷道围岩承载结构相关参数的影响.结果表明:外承载结构位置、宽度以及塑性承载结构宽度与巷道围岩变形量及塑性区范围密切相关;随支护力增大,巷道围岩承载结构越靠近巷道周边.

应用围岩承载圈理论设计软岩巷道锚喷支护

应用围岩关键承栽圈理论，通过确定关键承栽圈的半径进行软岩巷道锚喷支护参数设计，确定软岩巷道锚喷网组合支护工工艺，并进行技术经济效益分析。

深部隧道围岩承载拱演变规律及影响分析

为研究深埋条件下隧道开挖后围岩承载拱的演变规律,通过承载拱力学模型推导深部隧道围岩承载拱内外边界的解析解,采用有限差分软件对不同围岩级别、不同埋深及不同侧压力系数条件下深埋隧道围岩承载拱的演变规律及各影响因素的耦合作用进行分析研究。结果表明:各因素对深部隧道围岩承载拱的影响程度从大到小依次为围岩级别、隧道埋深及侧压力系数;围岩级别直接决定了承载拱的范围大小,围岩条件越差,隧道开挖引起的应力重分布范围越大;承载区范围与隧道埋深基本呈线性关系,随埋深增加,承载拱内外边界均向围岩深部偏移;侧压力系数对承载拱形态演变影响最大,内外边界的形态特征随侧压力系数变化呈现出来的变形规律不尽相同。

千米深井井壁与围岩共同承载理论研究及应用

为了解决传统井壁设计理论无法合理计算超千米深井井壁的难题,以磁西矿1341.6 m深副立井井壁设计为工程背景,通过分析千米深井力学作用机理,将井壁与围岩纳入统一的力学模型,并引入水土耦合作用机理,建立井壁与围岩固液耦合作用力学模型。根据厚壁圆筒理论和第三强度理论,得到了井壁与围岩共同承载理论井壁厚度计算式。根据井壁与围岩共同承载理论表达式可知,影响井壁合理厚度的因素包括井壁与围岩的抗压强度、弹性模量、剪切模量和泊松比、岩层含水渗透压等物理力学参数。应用该理论计算了磁西一号矿井副立井井壁厚度:泥岩段(埋深1280 m)井壁合理厚度计算结果为0.852 m,设计取0.9 m;砂岩段(埋深1200 m)井壁合理厚度计算结果为0.747 m,设计取0.8 m。井筒自设计施工完毕使用至今,井壁完好,满足了安全生产需要。工程应用表明:井壁与围岩共同承载理论及井壁厚度表达式符合超千米深井井壁安全设计要求。

埋藏式钢岔管与围岩联合承载有限元分析

以某水电站工程为例,考虑钢衬与围岩间的缝隙值,按照钢衬与围岩联合承载,采用三维有限元方法对地下埋藏式钢岔管进行计算分析,讨论了围岩性能及初始缝隙值对围岩承载比的影响,并与明管计算结果相比较,指出在钢衬与围岩共同承受内水压力作用时,围岩发挥了重要作用.

基于RBF神经网络的埋藏式月牙肋钢岔管围岩承载率研究

根据西龙池抽水蓄能电站的工程资料,建立埋藏式月牙肋钢岔管有限元模型,利用接触单元模拟钢岔管和围岩的联合承载。通过构造一系列围岩参数依次进行联合承载有限元计算,得到测点的计算应力。依据测点的计算应力和实测应力等数据,进行神经网络反演分析,根据反演结果的误差大小确定围岩参数。研究表明,通过神经网络反演得到的围岩参数较为合理,符合工程经验,且围岩承载规律性较好,证明利用神经网络法对钢岔管主要设计参数进行反演分析是可行的。

承载围岩渗透率演化模型及数值分析

为反映承载围岩变形破坏过程中渗透率的变化,将岩石变形破坏过程视作弹-脆-塑过程,分析了岩石全程应力-应变-渗透率关系,建立岩石渗透率演化数学模型。模型中岩石单元的渗透率演化包括如下阶段:①岩石单元破坏前,渗透率为孔隙率的函数;②若岩石单元发生剪切破坏,假设岩石单元剪胀扩容在单元体内引起两条斜交裂隙;③若岩石单元发生拉破坏,体积膨胀在单元体内引起两条正交的裂隙。基于平行板的渗透率立方体定律计算破坏岩石单元的渗透率,进而建立了承载岩石弹性变形、脆性破坏全过程的岩石渗透率演化模型。在FLAC软件下利用Fish函数方法实现了该模型。数值算例研究了不同围压下加载立方体岩样的渗透率演化过程,结果表明:建立的模型可以较合理地反映承载岩石弹性变形和破坏引起的渗透率变化,也可以较合理地反映围压对岩石渗透率的影响。

小天都气垫调压室洞壁围岩原地承载力的水力劈裂测试

本文给出了该气垫调压室勘探平洞的水力劈裂测试结果。分析表明 ,随着洞深与埋深的增大 ,愈向山体内部岩体结构的完整性及其自身的承载能力愈趋增强。在 0 + 72 9m的第五测点 ,所有测段岩体抗劈裂强度的平均值为 7 4MPa。因此 ,该点具备修建气垫调压室要求的岩体力学条件 ,该点附近的洞段是布置气垫调压室较理想的位置。

围岩时变承载能力定量评估的LDP-GRC耦合新方法

为定量判断二次支护时机,在围岩自承载系数基础上考虑岩石的流变力学性质,采用Boltzmann流变模型推导了围岩时变承载系数,研究了时间轴上围岩自承能力的变化过程和发挥程度.并以围岩时变承载系数为基础建立考虑时变效应的LDP和GRC曲线耦合新方法,定量得出二次支护时机及围岩时变承载系数间的相关关系.研究结果表明:1)不同隧洞断面处的围岩自承能力随时间变化趋势相似,都是开挖初期围岩自承能力迅速变弱,随后慢慢趋于稳定;经过相同的蠕变时间,距离开挖面越远,围岩自承能力越弱.2)同一隧洞断面处,时间越早围岩时变承载系数越大,围岩自承能力尚未充分发挥,不宜进行二次支护,即二次支护时机应该避开初期围岩自承能力变化剧烈时段.

基于围岩自承载理论的超大跨硐室设计方法

研究目的:自承载拱理论是地下工程发展的方向,但是目前国际上对自承载拱理论的应用只停留在概念阶段,不能实行量化分析,也不能直接应用于地下工程设计。目前国内地下硐室的设计规范采用古典支护理论,但是对于超大跨地下硐室,其计算的结构厚度过大,因此不适用。基于此,在围岩自承载理论下,本文提出能够直接用于设计的量化分析方法和计算公式,促进"围岩自承载"理论从概念到定量分析的跨越性发展。研究结论:(1)提出了"超大跨硐室支护应充分利用围岩自承载能力"的设计理念以及"以喷射混凝土+预应力长锚杆(索)为主要承载结构,二衬作为安全储备的"的设计原则;(2)提出了应力流守恒原理;(3)提出了基于数值分析的锚杆与预应力锚索设计参数的确定方法,给出了在"围岩自承载理论"指导下计算锚杆、喷射混凝土、锚索、二衬等设计参数的方法和公式;(4)本研究成果可应用于跨度超过30 m以上的超大跨硐室设计领域。

渐变段钢衬结构与围岩联合承载优化设计

以某国外水电站进水口钢衬方变圆渐变段为研究对象,采用三维有限元法分别计算了渐变段在正常运行工况和放空检修工况下的应力和位移。渐变段钢衬单独承载和渐变段加劲环翼缘与围岩联合承载的计算结果对比表明,围岩可有效缓解管壳和加劲环的应力集中。采用联合承载设计可优化渐变段体形,减小加劲环截面的高度。建议在以后的渐变段结构设计中,加劲环增设翼缘,并适当考虑围岩联合承载。

西部地区立井井壁-围岩共同承载理论与井壁设计原则

随着西部地区立井井筒建设需求的日益增多,基于西部地层特性的立井井壁设计理论与方法是保证井筒工程经济性和安全性的重要前提。通过研究西部井筒地质特性与围岩特性,获得了基于“弹-黏-脆-塑性”蠕变围岩卸载解析解的数值计算方法,并得到了围岩应力-应变空间分布与时间演化规律。考虑复合井壁结构特征,提出了井壁-围岩共同承载理论和井壁设计原则,获得了不同井筒工程特征、围岩特征、井壁特征等因素对相互作用的井壁受力影响规律,为西部立井井壁优化设计提供了理论基础。

基于均匀设计-响应面-有限元法的软岩隧洞围岩与衬砌结构协同承载可靠性分析

软岩隧洞围岩力学特性和衬砌结构受力皆具有显著的随机性、未确知性等不确定性,基于确定性分析的结构安全设计方法往往难以全面合理地反映软岩隧洞工程的复杂性;传统的可靠度计算理论则对于由围岩和支护系统构成的地下结构真实的功能函数无法从理论上给出显式表达,从而制约了可靠度计算理论在隧洞工程中的应用。在以数理统计方法为核心的可靠度计算理论基础上,结合均匀设计方法、响应面法和有限元数值模拟方法,借助于《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)中衬砌结构的承载力极限状态函数,构建了围岩和衬砌结构协同承载的荷载效应响应面显式表达式,由此提出了一种软岩隧洞围岩和衬砌结构协同承载的可靠性评价方法。采用该方法分析了影响联合承载特性的单因素随机变量,辨识了影响围岩和衬砌结构协同承载可靠性的主要因素,最后将该方法应用到具体工程中进行检验。通过与传统可靠度计算方法进行对比可知,该方法满足了精度,简化了流程,提高了效率,表明其具有很好的适应性和可行性。

隧道围岩-喷射混凝土界面应力解析

根据喷射混凝土支护隧道围岩的界面力学特点,考虑喷层与围岩结合界面受力和变形协调关系,并结合围岩承载拱效应,建立了围岩喷层结构的复合曲梁共同承载模型,然后通过各微单元静力平衡推导复合曲梁的径向位移的控制微分方程,得到任意分布荷载作用下喷层与围岩界面应力以及喷层与围岩各自内力的解析式,可迅速获取喷层与围岩结合界面的力学状况,进而判断围岩稳定性与预测安全性,为隧道施工决策提供技术支撑。最后经隧道台阶法开挖的算例研究表明,喷层支护通过其与围岩的结合界面上传递应力使围岩内部形成压应力带,有利于围岩的稳定。

超大跨度隧道围岩作用效应与支护结构设计方法研究

超大跨隧道受结构尺寸较大的影响,围岩的作用效应明显放大,主要包括断面尺寸放大效应、围岩缺陷放大效应、承载圈范围放大效应和施工步骤敏感效应。隧道结构荷载通过圈层传递效应由浅层逐渐向深层传递,各圈层承载力由浅层向深层逐渐增大。锚杆、锚索、喷射混凝土等支护结构共同作用提高了加固圈的承载力,并通过圈层传递效应增强了各圈层拱的承载力。通过围岩圈应力分布的图形分析,可以定量确定围岩加固圈、塑性圈和承载圈的范围及其承载力,在此基础上采用迭代试算的方法进行锚杆、锚索等支护结构设计。二次衬砌作为受力储备,当未经防腐处理的锚杆、锚索锈断后,二次衬砌承担锚杆、锚索的抗拔力,通过采用荷载-结构模型进行二次衬砌结构设计。

超大跨度隧道围岩支护体系构件化设计方法及其应用研究

为解决超大跨度隧道围岩和支护结构的稳定性问题,实现支护结构设计的定量化,根据初始地应力对围岩承载拱受力的影响,得到围岩受力最优的开挖轮廓线形状,提出围岩支护结构体系构件化设计方法,即将隧道周边一定范围内的围岩圈作为一个拱形结构进行强度、刚度和稳定性计算,进而设计锚杆、锚索、喷射混凝土和衬砌等支护结构。围岩支护结构体系构件化设计方法成功应用于京张高铁八达岭长城站超大跨隧道的设计中。实践表明,在采用该方法设计的支护结构体系作用下,大跨段拱顶最大累计沉降仅为17. 3 mm,拱顶相对下沉仅为0. 09%,能够满足工程安全需要。

考虑围岩性质影响的埋藏式压力钢管受力研究

以某水电站工程为例,研究围岩性质对埋藏式压力钢管位移及应力分布的影响,按照钢管与围岩共同承载,采用三维有限元方法对地下埋藏式钢管进行计算分析,讨论围岩性能对埋藏式压力钢管位移及应力的影响,并计算围岩承载比,通过与光滑明管计算结果进行比较分析,可知围岩对于埋藏式压力钢管承受内水压力有重要作用,围岩性质越好,其所能承受的荷载越大,弹性约束作用就越显著,钢管所承担的内水压力就越小。

地下埋藏式内加强月牙肋钢岔管设计方法研究

在总结对比水电站压力钢管设计规范85版和2001版有关埋藏式内加强月牙肋钢岔管设计方法的基础上,提出了一种埋藏式钢岔管的新的设计方法和原则。其设计步骤为:首先根据钢岔管与围岩联合承载原则,采用三维有限元计算方法确定钢岔管的体形、管壁厚度和肋板尺寸,然后对钢岔管按明管进行应力校核,同时对围岩承载比进行分析和复核。以某水电站为例进行的计算结果表明,该设计方法思路明确,计算精度高,在明显减小管壁厚度和肋板尺寸的前提下仍能确保岔管的安全。